Новата „лаборатория на чип“ може да ускори усилията за съхранение на въглерод


циментова фабрика

Кредит: Unsplash/CC0 Public Domain

Учени от Станфордския университет разработиха ново решение за предизвикателството да се уверят, че когато въглеродният диоксид (CO2) се инжектира под земята, всъщност остава на място.

За десетилетия, климатични модели прогнозираха, че екстремни горещи вълни от вида, изпитан от милиони хора това лято, ще станат много по-чести при нивата на затоплящите планетата газове, които сега присъстват в земната атмосфера. Тъй като емисиите и температурите продължават да се покачват, има нарастване научен консенсус че страните ще трябва активно да премахват и управляват CO2 светът да избегне затопляне над прага от 1,5 градуса по Целзий над прединдустриалните нива.

Един широко проучен метод за запазване на отстранения въглерод извън атмосферата в дългосрочен план включва инжектиране на CO2 в скални образувания дълбоко под земята. Но все още има въпроси, които трябва да бъдат разработени.






Минералите се разтварят в 3 mm квадратна проба от шисти Marcellus по време на инжектирането на киселина. Експериментите с динамичен поток и реактивен транспорт се извършват с помощта на техника на флуоресцентна микроскопия, която позволява да се заснемат ясни изображения на всеки 100 микросекунди. Кредит: Линг и др. 2022 г., Сборник на Националната академия на науките / Станфордски университет

„Инжектирането на въглероден диоксид във формации за съхранение може да доведе до сложни геохимични реакции, някои от които могат да причинят драматични структурни промени в скалата, които са трудни за прогнозиране“, каза Иления Батиато, главен изследовател на изследването и асистент по инженерство на енергийни ресурси в Училището по Земя, енергия и екологични науки на Станфорд (Станфорд Земя).

Верижни реакции

Земните учени от години са симулирали поток на течностреакции и механика на скалите, за да се опитате да предвидите как инжекциите на CO2 или други течности ще повлияят на дадена скална формация.

Съществуващите модели обаче не предвиждат надеждно взаимодействието и пълните последици от геохимичните реакции, които често създават по-плътни уплътнения чрез ефективно запушване на пътища с разтворени минерали, но също така могат да доведат до пукнатини и дупки, които могат да позволят заровени въглероден двуокис да повлияят на питейната вода или да излязат в атмосферата, където биха допринесли за изменението на климата. “Тези реакции са повсеместни. Трябва да ги разберем, защото те контролират ефективността на печата”, каза Батиато.

Едно от основните предизвикателства при моделирането се съсредоточава върху широкия диапазон от времеви и пространствени мащаби, в които взаимодействащите процеси се развиват едновременно под земята. Някои реакции изчезват за по-малко от секунда, докато други продължават с месеци или дори години. С напредването на реакциите развиващата се смес и концентрация на различни минерали във всеки даден участък от скала и промените в геометрията и химията на повърхността на скалата влияят върху химията на флуида, което от своя страна засяга пукнатините и възможните пътища за течове.

Лаборатория на чип

Новото решение, описано на 1 авг Сборник на Националната академия на науките, използва микрофлуидно устройство или това, което учените често наричат ​​„лаборатория на чип“. В този случай изследователите го наричат ​​”камък върху чип”, тъй като технологията включва вграждане на малък парченце шистова скала в микрофлуидна клетка.

За да демонстрират устройството си, изследователите са използвали осем скални проби, взети от шистите Marcellus в Западна Вирджиния и шистите Wolfcamp в Тексас. Те изрязаха и полираха парчетата на рок до парчета, не по-големи от няколко песъчинки, като всяка от тях съдържа различни количества и подредби на реактивни карбонатни минерали. Изследователите поставят пробите в полимерна камера, запечатана в стъкло, с два малки входа, оставени отворени за инжектиране на киселинни разтвори. Високоскоростните камери и микроскопи им позволиха да наблюдават стъпка по малка стъпка как химичните реакции карат отделните минерални зърна в пробите да се разтварят и пренареждат.

Идеята за миниатюризиране на изследванията, които някога изискваха големи лаборатории, обхваща науките за Земята, биомедицината, химията и други области, каза съавторът на изследването Антъни Р. Ковчек, професор Keleen и Carlton Beal в Stanford Earth и старши сътрудник в Stanford’s Precourt Institute за енергия. “Ако можете да го видите, можете да го опишете по-добре. Тези наблюдения имат пряка връзка с нашата способност да оценяваме и оптимизираме дизайна за безопасност”, каза той. Днес Ковчек казва, че геолозите на сондажните площадки могат да изследват скали под микроскоп, но нито една настояща технология не се доближава до нивото на детайлност, възможно с това ново устройство: „Нищо подобно не съществува, за да се види наистина как се променят формите на зърната.“

Оптимизиране за безопасност

Подобряването на моделите за реактивен транспорт е въпрос с нарастваща спешност, предвид ролята на премахването на въглерода в правителствените планове за справяне с изменението на климата и стотиците милиони долари, които сега текат към зараждащата се технология от частни инвеститори. Съществуващи проекти за премахване на CO2 директно от атмосферата работят само в пилотен мащаб. Тези, които улавят емисии при източника, са по-често срещани, с повече от 100 проекта в процес на разработка по целия свят и правителството на САЩ сега се готви да похарчи 8,2 милиарда долара чрез двупартийния законопроект за инфраструктура за улавяне и съхранение на въглерод от промишлени съоръжения.

Не всички планове за съхранение на въглерод включват заравяне на въглерод под земята. Тези, които включват геоложко съхранение обаче, могат да бъдат подпомогнати и евентуално направени по-стабилни и сигурни с новата технология на Станфорд. „Изследователите трябва да включат това знание в своите модели, за да направят добри прогнози за това какво ще се случи, след като инжектирате CO2за да сме сигурни, че остава там и не прави странни неща“, каза Батиато.

Гледайки напред, Battiato и колегите му планират да използват същата платформа за изследване на геохимични реакции, предизвикани от инжектиране на отпадъчни води от производството на нефт, инсталации за обезсоляванеили индустрията, както и водорода, който фигурира в плановете на САЩ и ЕС за намаляване на емисиите до 2050 г. Въпреки че подземното съхранение на водород често се цитира като обещаващо решение на стръмното и постоянно предизвикателство за осигуряване на безопасно съхранение на силно запалимия газ като цяло мащаб, тестването му дори в пилотен мащаб ще изисква по-добри инструменти за скрининг и разбиране на биогеохимичните реакции.


Реакциите, които съхраняват въглерод под земята, могат да причинят напукване, което е добра новина


Повече информация:
Проучване на многомащабната динамика на разтваряне в естествени скали чрез микрофлуидика и анализ на състава, Сборник на Националната академия на науките2022 г. doi.org/10.1073/pnas.2122520119

Предоставена от
Станфордски университет


Цитат: Нова „лаборатория на чип“ може да ускори усилията за съхранение на въглерод (2022 г., 2 август) извлечено на 5 август 2022 г. от https://phys.org/news/2022-08-lab-chip-carbon-storage-efforts.html

Този документ е обект на авторско право. Освен всяко честно отношение за целите на частно проучване или изследване, никоя част не може да бъде възпроизвеждана без писмено разрешение. Съдържанието се предоставя само за информационни цели.